液晶调光玻璃（共3篇）
液晶调光玻璃 篇1
0引言
液晶调光玻璃是一种新型特种玻璃,它能够随外加电压变化而改变自身透明度。它是在普通的玻璃基材中间加入一层液晶层,利用液晶分子排列的有序程度实现玻璃透明度的变化[1]。当该玻璃上未加载电压时,液晶层不受电场作用,液晶分子处于无序排列状态,使得照射至玻璃的光线受到散射作用,无法沿原来的方向传播,即液晶调光玻璃不透明;当在玻璃两端施加电压时,液晶分子受到电场的作用处于有序排列状态,光线能够直接通过玻璃,即液晶调光玻璃透明[2]。
目前,虽然液晶调光玻璃已被广泛应用于建材行业,例如浴室门窗、展品玻璃柜等方面[3]。但是,随着新技术对材料性能要求的提高,许多对响应时间要求较高的领域都会用到快速遮光的材料,以满足对系统响应时间的严格要求。例如,在基于视觉暂留原理的夜间会车防眩目系统中就对其性能有将较高要求,这种防眩目系统,利用快速遮光的液晶调光玻璃遮挡对向车辆的车灯光线,由于该系统利用到了视觉暂留原理,需要遮光的频率高于24Hz,因此对液晶调光玻璃的响应时间有很高的要求,其开启以及关断响应时间之和需要在40ms以内。
但是,当前关于这种遮光材料的相关研究不足,导致液晶调光玻璃响应时间及透明度等方面并不理想,这成为液晶调光玻璃进一步发展的障碍,尤其是对精度和准确度反应要求较高的领域[4]。文章针对不同电学条件下的液晶调光玻璃,研究其透明度变化,以及透明不透明相互转换的时间,期望能够更加准确掌握液晶调光玻璃的性能。
1实验方法
实验的原理图如图1所示。试验采用某厂家生产的300mm×300mm的液晶调光玻璃作为实验对象,将LED灯置于液晶调光玻璃的一侧,作为整个实验的光源;光敏电阻置于玻璃的另一侧,用于测量透过液晶调光玻璃的光线的强弱。将光敏电阻的端电压用放大电路进行放大后,用示波器记录光敏电阻的端电压变化的波形,其电压值表示光敏电阻的端电压。因为光敏电阻的电压值与其阻值正相关,而光敏电阻的阻值与入射光的强弱有关, 因此示波器的波形可以间接反映玻璃透明度的变化。
试验过程中,分别在液晶调光玻璃两端施加27V, 50Hz的正弦交流电,以及不同电压值的直流电。利用示波器测量光敏电阻端电压值并记录其波形,根据示波器波形形状与幅值变化,分析在调光玻璃两端加载不同电源时的玻璃的透明度的变化趋势以及响应时间。
分压电阻R1的阻值为10kΩ,放大电路的放大倍数为A,电源电压为VCC,示波器测得的光敏电阻的端电压为V。
设光敏电阻R2的阻值为R,电阻光敏电阻的阻值与照度之间的关系为:
采用照度作为衡量光线强弱的指标,照度E与光敏电阻值的关系为:
综上所述,光敏电阻阻值与照度负相关,而光敏电阻端电压与阻值正相关,因此光敏电阻端电压与光线照度之间负相关。示波器波形的变化间接地反映了液晶调光玻璃透明度的变化,所以可以根据示波器的波形图分析液晶调光玻璃的电学性能。
2结果与分析
2.1加载正弦交流电时玻璃响应
试验中,光源与液晶调光玻璃的距离150mm,光敏电阻与玻璃间距5mm。设由不透明到透明的过程为开启过程,由透明到不透明的过程为关断过程。当在玻璃两端加载50Hz,27V正弦交流电时,玻璃处于开启过程中,示波器记录的该过程的波形图如图2所示;断开电源后,玻璃处于关断过程中,示波器的波形图如图3所示。图中高电平对应的状态为玻璃不透明,低电平对应的状态为玻璃透明。
实验现象为,当加载电压后,液晶调光玻璃迅速由不透明变为透明,并保持稳定的透明状态。而关断电源后,液晶调光玻璃透明度逐渐降低,并恢复至不透明状态,关断过程相对于开启过程持续时间较长。
由波形图可知,开启过程中,光敏电阻端电压值在开启瞬间急剧降低,且dv/dt逐渐减小并趋于零,玻璃开启的响应时间约为28ms,即液晶调光玻璃在此电压下由透明到不透明的时间约为28ms,对应图中H2-L2段;关断过程中,光敏电阻端电压值逐渐升高,且dv/dt逐渐减小并趋于零,玻璃完全关断的响应时间约为3.28s,对应图中L3-H3段;而当关断过程持续至560ms时,电压值上升约为50%,对应图中L3-M3段。
2.2加载直流电时玻璃响应
试验中,光源、液晶调光玻璃、光敏电阻之间的相对位置不变。在调光玻璃两端施加电压为30V的直流电源,保持一段时间后切断电源,并重复此过程。示波器记录的波形图如图4所示。
实验现象为,加载直流电瞬间,玻璃迅速由不透明变为透明,然后逐渐变为半透明,并保持稳定的半透明状态;关断电源后,玻璃逐渐由半透明状态恢复为不透明状态,并保持稳定。
由图像可知,开启过程中,光敏电阻端电压在开启瞬间电压值急剧降低,到达最低值时,电压值逐渐升高,并保持在最低值与最高值之间的稳定值,且变化率dv/dt逐渐减小并最终趋于零。将波形电压下降过程、由最低点上升至半开启状态、以及由半开启状态上升至开启状态的波形图局部放大,得到的波形图分别如图5、图6、图7所示。玻璃开启的响应时间约为48ms,对应图中H5-L5段,即液晶调光玻璃在此电压下由透明到半透明的时间约为48ms;玻璃由不透明状态转换为半开启状态时间约为3.44s,对应图中H6-S6段;切断电源后,由半开启状态转换为关闭状态时间约为1s,对应图中S7-H7段。
2.3不同电压值下液晶调光玻璃响应
由以上实验可以看出,玻璃在直流电压下的反应与交流电压下有很大的区别,在玻璃两端加载直流电源时,液晶调光玻璃在完全开启后会出现半开启状态。为了深入了解玻璃在直流电源作用下的性能,实验中在玻璃两端分别施加电压17.5V和15V的直流电源,得到的端电压波形图分别如图8、图9所示,以研究和分析液晶调光玻璃在直流电的条件下半开启状态与所施加电压值的关系。
实验现象为,加载17.5V和15V的直流电时的现象与加载30V直流电现象类似。在加载电源瞬间,玻璃迅速由不透明状态变为透明状态,随后透明度逐渐降低, 并进入半开启状态。但随着加载电压的降低,半开启状态的透明度有明显的降低,加载15V直流电时已几乎无半开启状态存在。电压稳定时调光玻璃的透明度已与关断状态下玻璃的透明度十分接近,关断时玻璃的透明度也无明显变化。
由图8、9可知,开启瞬间,光敏电阻端电压迅速下降,然后电压值逐渐升高,并趋于稳定,半开启状态与关闭状态之间电压的差值随着加载电压值的升高而减小,电压值为15V时半开启状态的示波器电压值基本上等于关断状态的电压值。17.5V时玻璃开启的响应时间约为86ms,完全转换为半开启状态的时间约为4.7s。
2.4实验结论分析
由上述实验可知,在液晶调光玻璃两端加载交流电和直流电的现象有很大的差别,主要表现在玻璃透明度的变化过程。
当加载交流电时,玻璃迅速变为透明状态,并保持稳定;关断电源后,玻璃的透明度缓慢降低,开启过程的响应时间为毫秒级,而关断过程响应时间为秒级。即液晶调光玻璃由不透明变为透明的响应时间要远小于由透明到不透明的响应时间。这是因为液晶调光玻璃中的液晶分子由无序状态转换至有序状态是由于电场的作用, 属于外力驱使的过程;而由有序状态转换至无序状态的过程是由于分子热运动的作用,属于自发的过程[5]。
当加载直流电时,玻璃迅速变为透明状态,随后透明度逐渐降低,并稳定在半开启状态。半开启状态的玻璃的透明度小于关断状态。当断开电源时,玻璃由半开启状态逐渐变为关断状态。半开启状态与关断状态下玻璃的透明度的差值随着所加载直流电压的降低而减小。 当直流电压降低至15V时,半开启状态的电压值与关断状态的电压值基本相等[6]。
将两者统一来看,交流电相当于直流电的叠加,即在玻璃两端施加交流电时相当于在单位时间内,在玻璃两端均匀间隔施加f(交流电的频率)次直流电,而交流电的周期远小于调光玻璃开启以及关断的响应时间, 因此液晶调光玻璃透明度还未及降低时即已再次开启, 反映在玻璃上为稳定保持在透明状态。由于不透明至透明的过程可以通过施加电场控制,但是分子的热运动是不容易控制的。因此,开启时玻璃的响应时间远小于关断的响应时间。
3结束语
随着液晶调光玻璃成本的降低,液晶调光玻璃在我国得到了广泛的应用,尤其是建材用玻璃门窗等相关方面[7]。但是由于在调光玻璃领域缺乏相关的深入研究, 造成包括响应时间、透明度等方面还存在很大的不足, 使得调光玻璃在对其响应时间要求较高的领域的发展受到限制。目前我国液晶调光玻璃的响应时间最快约为30ms,而对于前文所述基于视觉暂留原理的夜间会车防眩目系统,响应时间30ms的调光玻璃已经能起到一定的防眩效果[8]。随着技术的进步与研究的深入,液晶调光玻璃的这些问题会得到进一步的解决。因此,关于液晶调光玻璃的研究意义深远。
液晶调光玻璃 篇2
1 实验
以组装有一套白光LED(YAG+InGaN蓝光芯片)的32 in(1 in=2.54 cm)直下式入光的液晶电视模组作为实验对象,在两种电流控制模式下,通过调节选单中的背光调节比例,逐步调节LED的平均电流。其中模拟调光为电流峰值调节,而数字调光为峰值不变(440 mA),通过调节占空比来调节LED的平均电流。图1为相同平均电流400 mA条件下,数字调光和模拟调光的电流波形。
在室温25℃条件下,将机器通电在白场画面点亮30 min后开始测试。用KONICA MINDLTA CS2000(配套数据处理系统为CS-10W)测试液晶模组白场的亮度、色坐标数据,使用Agilent Dso 6054A监测电流波形和数值,使用YOKOGA-WA MX100监控测试机器内LED焊脚的温度。电流值每隔20 mA测试记录一组数据,每个电流值稳定10 min后进行亮度、色坐标、温度的读值。
2 结果和讨论
2.1 亮度对比
液晶电视模组点亮30 min后,整机系统内以及机器与环境基本已达到热平衡。通过用户选单调节背光的电流,得出两种电流控制模式下不同平均电流下的亮度数据。如图2所示,随着电流的降低,亮度呈线性降低,并且相同平均电流下,数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低,并且随着电流的降低,数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。如420 mA平均电流下,数字调光模式下比模拟调光模式下亮度低6.4%,而到160 mA平均电流时,这个值达到49%。
图3为400 mA与260 mA平均电流两种电流控制模式下的光谱图。由于液晶玻璃的彩色滤光膜CF的RGB三色穿透波谱半高宽大于LED波谱,系统内膜片组件对光谱的吸收亦有限,故它们对测试点的光谱影响在此可以不作考虑。
光功率Xe计算公式如下
式中:Xe为380～780 nm可见光范围内的总辐射功率;p(λ)为单位波长的辐射功率。
由图3及式(1)得出,平均电流均为400 mA条件下,数字调光模式下测试点波谱强度值比模拟调光模式降低,光功率计算值比模拟调光模式低5.8%。平均电流均为260 mA条件下,数字调光模式与模拟调光模式测试点波谱强度差异值进一步放大,B波段半高宽缩小,光功率计算值比模拟调光模式低17.7%。
通过对机器内LED焊脚的温度测试发现,数字调光比模拟调光模式下焊脚温度要高。表1为400 mA平均电流条件下(电流波形如图1所示,其中,数字调光占空比为89%),数字调光和模拟调光两种模式下的LED焊脚温度Ts情况。
式中:Ti为芯片温度;P为LED功率;Ts为LED焊脚温度;Rth为热阻,400 mA与260 mA时功率接近1 W,热阻可看作常数[1],本样品值为15 K/W。
由表1及式(2),模拟调光下,400 mA时计算芯片结温为351 K,数字调光模式下400 mA结温为353.8 K,数字调光模式下焊脚温度平均要高2.8 K(室温25℃)。260 mA平均电流条件下,模拟调光模式下计算芯片平均结温为329.5 K。理论上260 mA条件下数字调光模式ON状态下瞬时温升与400 mA时差不多,此点温度要比模拟调光模式下260 mA产生的热量高很多。但260 mA时数字调光模式下OFF状态时有足够的时间将热在时间上平均(占空比为53%)。由于PWM的响应时间为纳秒级别,而温升测试系统的响应时间为秒级别,所以现有条件无法检测低占空比下的瞬时温度,但利用下节能带温升公式反推可得出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式LED芯片温度高约6.5 K。
InGaN蓝光芯片属于Ⅲ-V族半导体材料,随着温度的升高,材料的能带发生变化,电子能量升高占据导带中能量高些的电子态[2],电子空穴对发生辐射复合的几率变小。另有报道,根据物体的发射率关系[2,3]关系,光子辐射跃迁几率是温度的减函数。也就是温度的升高降低了辐射复合率,引起发光效率的降低。如上数据分析,相同平均电流不同电流控制模式下亮度的差异,主要由两种电流模式下LED温升差异引起。下一步将通过能带和波长与温度关系的变化做进一步分析。
2.2 色度对比
液晶电视模组点亮30 min后,通过用户选单调节背光的电流,得出两种电流控制模式下不同平均电流下的xy色坐标数据。如图4所示,随着电流的降低,CIE xy坐标升高,对应色温降低。并且,x坐标值模拟调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.001 9,数字调光下变化值为0.002 4,差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.003,模拟调光下为0.003 7,差异值比较大。
结合表1,随着电流的降低,温度的降低,色坐标的x值和y值都增加。这与谭艳娥[4]等人对冷白样品的实验数据基本一致。王劲[5]等人认为波长与峰值半波宽变化引起了色坐标的变化。CIE xy坐标变化主要由波长-光强比决定,以下从波长变化、RGB光强比例变化方面进行分析。
2.2.1 光强变化
由XYZ三刺激值式(3)可知,X值中R波段影响最大,y值中G波段与R波段影响最大。坐标xy值是XYZ对应比例值。
由图5及图3可看出,R波段随着电流降低,相对其他两波段来说光强变化范围较小,峰值半高宽变化也不明显,所以x值仅在0.002范围内变化,但是数字调光模式下光强变化比模拟调光稍微明显,对应x坐标的变化也比模拟调光下明显。G波段峰值半高宽变化不明显,光强变化比例在三波段中居中,比R明显,数字调光模式下降低也比较明显。但对于Y值,R波段的贡献是负值,且对数值的占比比较大,直接影响到了Y值结果。GR波段都属于蓝光激发的光致发光(PL),直接受蓝光光强大小的影响,并且PL发光功率有限,温度也是由芯片的热量决定,所以相比于B波段由芯片电致发光引起的光强变化,自然要轻微得多。
B波段随着电流的降低,整体上强度降低幅度比RG波段明显,并且,数字调光模式下光强变化比模拟调光模式下剧烈。数字调光模式下,260 mA平均电流时“ON”状态下的导通电流依然为440 mA,单从电流方面考虑,xy值应该比较稳定[6],实际测试数据则呈现出差异。随着电流降低,波长光强度线性降低是正常现象,但两种模式下线性降低的幅度差异,可以从材料的主波长与温度、电流之间的关系方面解释。
2.2.2 波长变化
从实验数据来看,平均电流从420 mA降到260 mA,模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从445 nm降到444.5 nm,数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm,出现了蓝移现象。但两种模式下G波段主波长稳定在534 nm,R波段稳定在602 nm。
主波长由材料的能带决定。据报道,蓝光芯片In组分为x的InGaN禁带宽度与温度的关系为[7,8]
式中:T是温度,单位为K;为InGaN芯片中InN绝对零度时能带,为0.8 eV[7],为GaN零度时的能带,为3.42 eV。
模拟调光下,400 mA时计算芯片结温为351 K,260 mA时计算芯片结温为329.5 K。只考虑热效应时,峰值波长与结温呈现较好的线性、正比关系[9,10]。假设取x为0.725,联立以上公式,得出模拟调光下电流从400 mA降低到260 mA蓝光波长蓝移1.5 nm。庄榕榕等人[9]线性拟合的峰值波长偏移的温度系数为0.077 0 nm/K,400 mA与260 mA LED芯片温度相差21 K,按此计算电流降低蓝光主波长蓝移1.6 nm。与上面的计算结果基本吻合。从以上公式可以反推出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式,LED芯片温度高约6.5 K。
对于蓝光芯片InGaN基而言,影响Ⅲ族氮化物多量子阱器件发射光谱的能隙间隔,除了热效应带来的变化外,还应考虑自发极化和压电极化效应带来的影响。在大电流密度下,会屏蔽极化场,而显示出载流子屏蔽效应,所以随着电流密度的减小,波长会出现红移。但从实验数据来看,平均电流从420 mA降到260 mA,模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从445 nm降到444.5 nm,数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm,结果上还是出现了蓝移现象。可见除了电流密度的影响之外,芯片温度的影响更大些,并且因为数字调光模式下温度更高,所以温度的影响更明显。绿波G和红波R属于蓝光激起的光致发光(PL),因为PL能激发的载流子较少,对主波长的影响不大,两种模式下G波段稳定在534 nm,R波段稳定在602 nm。
3 结论
1)相同平均电流下,液晶电视模组数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低,并且随着电流的降低,数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。
2)相同平均电流下,数字调光模式下液晶电视模组系统中LED芯片的温度比模拟调光模式下高。
3)随着电流的降低,CIE xy坐标中x坐标值模拟调光模式下变化趋势比较平缓,变化值为0.001 9,数字调光下变化值为0.002 4,差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.003,模拟调光下为0.003 7.
4)以上现象的主要原因为半导体材料能带与温度的负指数关系形成。数字调光模式下LED芯片的温度高引起材料的能带、主波长和发光效率变化。随着电流的降低,数字调光模式下占空比减小,导致温差进一步放大,引起两种模式下的亮度、色度差异放大。
摘要：对LED液晶模组,采用模拟调光ADIM和数字调光PWMDIM两种电流控制模式,对比测试了模组的亮度、CIE色坐标、LED焊脚温度数据。实验数据表明,相同整机系统下,平均电流相同时模拟调光比数字调光亮度高、LED芯片温度低。随着平均电流的减小,数字调光的亮度下降幅度比模拟调光明显。数字调光模式CIEγ坐标变化比模拟调光小,但x坐标差异不大。通过对以上两种模式下光谱图中RGB各波段的光强变化比以及主波长情况进行分析,认为半导体材料温度变化引起的能带差异以及电光转换效率不同是主要原因。
关键词：模拟调光,数字调光,LED,电流,亮度,色坐标
参考文献
[1]毛德丰,郭伟玲.功率LED热特性分析[J].照明工程学报,2009,20(2):30-34.
[2]王健,黄先.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报,2008,29(2):358-361.
[3]FANG Rongchuan.Solid-state spectroscopy[M].Hefei:University of Science and Technology of China Press,2003.
[4]谭艳娥,余彬海.温度对白光大功率LED分档集中度的影响[J].半导体器件,2013,23(8):603-608.
[5]王劲,梁秉文.大功率发光二极管光电特性及温度影响研究[J].光学仪器,2007,29(2):46-49.
[6]ZHOU Minchao,L(U|¨)Danzhu.Adual-path,current-sensing resistorfree boost LED driver with fast PWM dimming[J].Journal of Semiconductors,2013,34(4):1-5.
[7]WU J.WALUKIEWICZ W,YU K M,et al.Small band gap bowing in InxGal-xN alloys[J].Journal of Applied Physics Lett.,2002,80(25):41-47.
[8]杨树人,殷景志.先进半导体材料性能与数据手册[M].北京:化学工业出版社,2003.
[9]庄榕榕,蔡平.GaN基发光二极管波长偏移的研究[J].漳州师范学院学报:自然科学版,2013(3):66-70.
调光玻璃维护保养的小妙招 篇3
(2) 调光玻璃家具最好安放在一个较固定的地方, 不要随意地往返移动, 要平稳放置物件, 沉重物件应放置玻璃家具底部, 防止家具重心不稳造成翻倒。另外, 要避免湿润, 阔别炉灶, 要与酸、碱等化工试剂隔绝, 防止侵蚀变质。
(3) 有花纹的调光玻璃玻璃一旦脏了, 可用蘸有清洁剂的牙刷, 顺着图样打圈擦拭即可去除。此外, 也可以在玻璃上滴点煤油或用粉笔灰和石膏粉蘸水涂在玻璃上晾干, 再用干净布或棉花擦, 这样玻璃既干净又明亮。
(4) 日常清洁时, 用湿毛巾或报纸擦拭即可, 如遇污迹可用毛巾蘸啤酒或温热的食醋擦除, 另外也可以使用目前市场上出售的玻璃清洗剂, 忌用酸碱性较强的溶液清洁。冬天调光玻璃表面易结霜, 可用布蘸浓盐水或白酒来擦拭, 效果很好。
(5) 平时不要用力碰撞玻璃面, 为防玻璃面刮花, 最好铺上台布。在调光玻璃家具上搁放东西时, 要轻拿轻放, 切忌碰撞。